Измерение угла наименьшего отклонения

Цвет спектральной линии	Номер отсчета			minmin
Желтая	1
	…
Зеленая	1
	…
Синяя	1
	…
			
Прямая наводка	1
	…

Таблица 6.3

Зависимость показателя преломления от длины волны

Цвет спектральной линии	, нм	nn
Желтая	576.0
Зеленая	546.1
Синяя	435.9

Примечание.Отчет по данной работе должен содержать рисунок взаим- ного расположения приборов при определении преломляющего угла призмы и угла наименьшего отклонения с обозначением хода лучей.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается явление дисперсиисвета?

2. Чем объясняется разложение призмой лучей белого света на их спек- тральныесоставляющие?

3. Что понимают под углом отклонения лучапризмой?

4. В длинноволновой или коротковолновой области спектра наиболее выгодно использование призмы в качестве диспергирующегоэлемента?

5. Покажите, что при симметричном ходе лучей через призму (т. е.когда

(рис. 6.1)), справедлива формула (6.1).

6. Выведите формулу(6.2).

Лабораторная работа 7. Исследование линейно поляризованного света

Цели работы:проверка закона Малюса; определение степени поляриза- ции света.

Общие сведения

В электромагнитной волне, распространяющейся в безграничном про- странстве, векторы напряженности электрическогоЕи магнитногоНполей перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярнойна-правлению распространения волны, определяемому волновым векторомk,т. е. электромагнитная волна является поперечной. Плоскость, в которой ле- жат векторыЕиk,называетсяплоскостью колебаний, а перпендикулярная ей плоскость, в которой лежат векторыНиk,–плоскостью поляризации. Ес- ли положение плоскости колебаний неизменно во времени, то волна называ- ется плоско- или линейно-поляризованной. Возможны и другие типы поля- ризации поперечной волны, при которых колебания вектораЕ, оставаясь в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, имеют более сложный характер (конец вектора описывает эллипс или окружность). Волна имеет тогдаэллиптическуюиликруговуюполяризацию.

Световые волны суть электромагнитные волны с длинами волн от 400 до 760 нм. Свет от обычных (не лазерных) источников (например, от нити нака- ливания ламп) представляет собой совокупность большого числаволновыхпакетов(цугов волн), каждый из которых является результатом единичного акта испускания электромагнитного излучения атомом вещества. Электро- магнитная волна в каждом волновом пакете линейно поляризована. Отсутст- вие взаимосвязи между актами испускания различных атомов приводит к то- му, что плоскости колебаний различных волновых пакетов ориентированы случайным образом. Такой распространяющийся от источника свет называ- етсяестественным. В естественном свете все ориентации взаимно перпен- дикулярных векторовЕиНв плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, равновероятны и плоскость поляризации меняется хаотически. Если положение плоскости колебаний в световой волне каким- либо образом упорядочено, то светполяризован(частично поляризован).

Получение поляризованного света возможно при разнообразных физи- ческих эффектах – прохождения света через анизотропные среды, отражении от диэлектриков и др. Устройства для получения поляризованного света на-

зываются поляризаторами. Поляризаторы пропускают колебания, параллель- ные плоскости, называемой плоскостью поляризатора, и полностью или час- тично задерживают колебания, перпендикулярные этой плоскости.

Поляризация при двойном лучепреломлении. Если электромагнитная вол- на падает на границу раздела двухизотропныхсред, то во второй среде име- ется только одна волна, распространяющаяся по «обычным» законам пре- ломления. Если вторая средаанизотропна, т. е. ее свойства (в частности ди- электрическая проницаемость) различны вдоль разных направлений, то во второй среде распространяютсядверазлично преломленных волны (обыкно-веннаяинеобыкновенная) с разными скоростями. Это явление называетсядвойным лучепреломлением. Обыкновенная и необыкновенная волны линей- но поляризованы, и плоскости их колебаний взаимно перпендикулярны. Эф- фект двойного лучепреломления света наблюдается в прозрачных анизо- тропных кристаллах. У одноосных кристаллов (исландский шпат, турмалин) имеется направление (оптическая ось), вдоль которого обе волны распро- страняются с одинаковой скоростью. Плоскость, проведенная через оптиче- скую ось кристалла и направление распространения света, называетсяглав-ным сечениемкристалла. Колебания вектораЕв обыкновенной волне пер- пендикулярны плоскости главного сечения кристалла, в необыкновенной – совершаются в плоскости главного сечения.

Одним из широко распространенных поляризаторов светаявляется

призма Николя(рис. 7.1),изготовлен-

А

Рис.7.1. Поляризатор (призма Николя)

ная специальным образом из исланд- ского шпата так, что необыкновеннаяeволна проходит через призму, а обык- новеннаяопретерпевает на прослойкеAA′ из канадского бальзама полное от- ражение и поглощается зачерненной граньюA′C.

В некоторых кристаллах одна из преломленных волн поглощается больше, чем другая (явление дихроизма). Турмалин, например, поглощает почти полностью обыкновенную волну в слое толщиной 1 мм. Явление ди- хроизма положено в основуполяроидов– одного из видов поляризаторов. Используемые в лаборатории поляроиды представляют собой тонкие целлу- лоидные пленки с введенными в них и одинаковым образом ориентирован- ными кристалликами сульфата йодистого хинина. В таких поляроидах одна

из плоскополяризованных волн поглощается при толщине пленки около

1. мм. Пленка защищена от механических повреждений и действия влаги пластинками изстекла.

Закон Малюса. Пусть на поляризатор падает плоскополяризованная

волна с амплитудой напряженности электрического поля

Е₁, плоскость ко-

лебаний которой (волны) образует с плоскостью главного сечения поляриза- тора угол(рис. 7.2). Интенсивность падающей волны пропорциональна

квадрату напряженности электрического поля

I₁~E^{2. В световой волнена}

1

выходе поляризатора амплитуда напряженности электрического поля будет

равна

Е₁cos,а интенсивность света пропорциональна

(Е₁cos)².

Таким образом,

II_1cos^2.



(7.1)

Направление

Соотношение (7.1) представляет собойзакон Малюса.

Если на поляризатор падает есте-

_Е0 распространениясвета

ственный свет с интенсивностью

I₀,

Поляризатор

то все значения φ равновероятны и доля света, прошедшего через поля-

Плоскость

Оптическая осьполяризатора

ризатор, будет равна среднему значе-

главного сечения

нию

cos², т. е. 1/2.Привращении

поляризатора

поляризатора вокруг направления ес-

Рис.7.2. К обоснованию закона Малюса

тественного луча интенсивность прошедшего света остается постоянной,аиз-меняется лишь ориентация плоскости колебаний света, выходящегоизприбо-ра.Интенсивность прошедшего света, регистрируемая детектором,приэтом

остается постояннойиравной

I₀2. Если после первого поляризатора устано-

вить второй однотипный поляризатор, называемый анализатором, то интен-

сивностьI₂

на выходе анализатора будет изменяться по закону Малюса (7.1):

I₂I₁cos²_I₀2_cos²,

где

I_0и

I₁– интенсивности естественного и линейно-поляризованного света

на входе первого и второго поляризаторов соответственно; φ – угол между плоскостями поляризатора и анализатора.

Частично поляризованный свет. Степень поляризации. Идеальных по- ляризационных устройств не бывает, и полученные с помощью реальных по- ляризационных устройств световые пучки всегда частично поляризованы,

т. е. представляют собой смесь поляризованного и неполяризованного света с

интенсивностями

^Iпол^и

I_ест. Для характеристики частично поляризованных

световых пучков вводят понятиестепени поляризации, под которой понима- ют отношение интенсивности поляризованной составляющей к полной ин- тенсивности светового пучка:

PI_пол

^Iпол^Iест^.

Этому выражению можно придать другой вид. Если такой частично по- ляризованный свет пропустить через анализатор, то при вращении прибора вокруг направления луча интенсивность света на его выходе будет изменять-

ся в пределах от

^Imax^Iпол^Iест^2до

^Imin^Iест²

при параллельных и

взаимно перпендикулярных плоскостях поляризатора и анализатора соответ- ственно. При этом учтен тот факт, что естественная составляющая ослабля- ется при прохождении через анализатор в два раза, а поляризованная – в со- ответствии с законом Малюса:

I()I_полcos^2I_ест2.

(7.2)

Выразив

^Iпол^и

^Iест

через

^Imax

иI_min, получим другое выражение для

степени поляризации:

^PImax^Imin^Imax^Imin^.

(7.3)

Для плоскополяризованного света

I_min= 0 иР= 1.

Экспериментальная установка(рис. 7.3) состоит из источника естест- венного светаS(лампа накаливания), диафрагмыD, линзыL, сменных све- тофильтровС, поляризатораР, анализатора А, фотоэлемента Ф и микроам- перметраРА. Уголмежду главными сечениями поляризатора и анализатора можно изменять вращением анализатора вокруг оси, совпадающей с оптиче-

Рис.7.3. Установка для проверки закона Малюса

ской осью установки. Угловое положение главного сечения анализатора оп- ределяется по шкале, находящейся на его корпусе.

Силатока в цепифотоэлемента пропорциональна интенсивности светаI, падающего на фотоэлемент. Интенсивность света, прошедшего через анали- затор, измеряется в условных единицах (делениях шкалы микроамперметра).